基于逆向調(diào)制反射器的星間激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈艷梅， 呂從民， 申鵬飛， 路 璐*

(1.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 2.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心， 北京 100094)

1 引言

微小衛(wèi)星編隊(duì)為軍民兩用的導(dǎo)航、通信、遙感和科學(xué)研究等提供了可能，可用于重力測繪、跟蹤森林火災(zāi)、尋找水源等方面。 通過星間鏈路把多顆小衛(wèi)星互聯(lián)在一起形成快速響應(yīng)、信息共享及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換空間通信網(wǎng)絡(luò)，可有效綜合利用每顆衛(wèi)星的信息，是編隊(duì)小衛(wèi)星星間協(xié)作的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。 微小衛(wèi)星集群可提供低延遲、低成本、高速度和高可靠服務(wù)。

空間激光通信具有無頻率資源限制、寬帶寬、高速率、抗干擾的特點(diǎn)，成為未來小衛(wèi)星星間、星地鏈路的重要途徑[3-5]。 微小衛(wèi)星要求載荷具有低SWaP(Size，Weight and Power)值，星間激光通信相對較低的SWaP 值適用于微小衛(wèi)星星間、星地?cái)?shù)傳需求。 微小衛(wèi)星間通過激光通信方式進(jìn)行互聯(lián)，可構(gòu)建激光通信網(wǎng)絡(luò)。 世界各國都在大力發(fā)展適用于微小衛(wèi)星互聯(lián)的激光通信終端，如OCSD[6-7]，ClICK[8]，VSOTA[9]，F(xiàn)ITSAT[10]及國內(nèi)航天科工集團(tuán)行云T5。 但這些小型激光通信終端高度依賴于小型衛(wèi)星平臺(tái)完成指向，需要復(fù)雜的光機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)修正光軸擺動(dòng)偏差，并且不能滿足激光通信網(wǎng)絡(luò)一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信需求。

激光逆向調(diào)制反射技術(shù)是一種非對稱激光通信鏈路，與傳統(tǒng)激光通信不同的是，逆向調(diào)制反射器(Modulated Retro Reflector， MRR)僅需要一端的瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤(Pointing， Acquisition and Tracking， PAT)，另一端是角反射器或具有貓眼效應(yīng)的逆向調(diào)制反射系統(tǒng)[11-12]。 逆向調(diào)制反射器較傳統(tǒng)激光通信終端具有更低的SWaP 值，相對微波通信可提供更高速率，對衛(wèi)星平臺(tái)本身的要求不高。 利用逆向調(diào)制反射器陣列，可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。 美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)基于MEMS 調(diào)制反射器的全天空覆蓋衛(wèi)星間全向光通信器(ISOC)[13]，將在自由空間200 km 距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，適用于微小衛(wèi)星。

光學(xué)調(diào)制反射器可使用各種被動(dòng)式反射鏡，包括角立方棱鏡和貓眼透鏡[14]。 電光調(diào)制器可放置在光學(xué)器件前面的窗口處，或結(jié)合到光學(xué)器件中，具有多種形式，包括振動(dòng)膜[15]、液晶[16]、微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)[17]和半導(dǎo)體多量子阱(MQW)[18-19]。

本文針對編隊(duì)飛行小衛(wèi)星星座內(nèi)低SWaP 值小型激光通信終端設(shè)計(jì)需求及高速率激光通信互聯(lián)需求，提出基于MRR 的星間通信架構(gòu)，通過性能分析，評估方案合理性。

2 基于MRR 的星間組網(wǎng)通信方案設(shè)計(jì)

微小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1 所示。 基于激光逆向調(diào)制技術(shù)的微小衛(wèi)星自由組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以一顆或多顆主衛(wèi)星為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，主衛(wèi)星上安裝帶有跟瞄系統(tǒng)( Pointing， Acquisition and Tracking，PAT)的傳統(tǒng)激光通信終端，通過多個(gè)光學(xué)天線或者文獻(xiàn)[20]所述一對多激光通信設(shè)備與子衛(wèi)星進(jìn)行通信。 子衛(wèi)星上安裝雙工貓眼調(diào)制反射器陣列。 主衛(wèi)星作為詢問端，子衛(wèi)星作為被動(dòng)端，通過主衛(wèi)星向子衛(wèi)星發(fā)射帶有信息的詢問光，子衛(wèi)星在詢問光上調(diào)制信息并反射回主衛(wèi)星。各子衛(wèi)星與主衛(wèi)星的距離視任務(wù)需求而定，各子衛(wèi)星與主衛(wèi)星間可以快速動(dòng)態(tài)接入或退出，根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)拆分和重構(gòu)。 該網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)瞬息萬變的空間態(tài)勢和任務(wù)。

圖1 微小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Microsatellite network topology

微小衛(wèi)星編隊(duì)進(jìn)行多點(diǎn)間激光通信可滿足衛(wèi)星群內(nèi)保密、實(shí)時(shí)通信需求。 編隊(duì)飛行小衛(wèi)星整體運(yùn)動(dòng)軌跡固定，群內(nèi)衛(wèi)星相對間距較近，動(dòng)態(tài)變化。 微小衛(wèi)星群內(nèi)通信的基本鏈路組成為搭載一對多主光機(jī)端的主衛(wèi)星，搭載調(diào)制反射器的子衛(wèi)星。 主衛(wèi)星與子衛(wèi)星間采用雙工調(diào)制反射通信方式。 主衛(wèi)星與子衛(wèi)星之間構(gòu)成的雙向中繼通信系統(tǒng)鏈路如圖2 所示。

圖2 主衛(wèi)星與子衛(wèi)星雙向中繼通信系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of two-way relay communication system between main satellite and sub-satellite

貓眼調(diào)制反射器相對角反射器可在更小尺寸達(dá)到更高速率，貓眼調(diào)制反射器集成為陣列可以等效為更大的孔徑。 多量子阱理論速率可達(dá)到4 Gbps，但是多量子阱調(diào)制速率與RC常數(shù)相關(guān)，RC常數(shù)與調(diào)制器的面積有關(guān)。 調(diào)制反射器的選擇需要在能夠接收足夠光強(qiáng)的光學(xué)口徑和調(diào)制器面積增大帶來RC常數(shù)衰減之間進(jìn)行平衡。 文獻(xiàn)[12]中基于MEMS 的調(diào)制反射器可達(dá)到1 Gbps的速率。 本文假設(shè)采用基于MEMS 的貓眼調(diào)制反射器。

基于逆向調(diào)制反射器的星間激光通信原理如圖3 所示。 主衛(wèi)星向子衛(wèi)星發(fā)送連續(xù)問詢光，子衛(wèi)星將發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制到連續(xù)問詢光上，形成信號(hào)光反射給主衛(wèi)星。

圖3 基于逆向調(diào)制反射器的主衛(wèi)星與子衛(wèi)星通信原理圖Fig.3 Schematic diagram of main satellite and subsatellite communication based on modulated retro reflector

3 基于MRR 的星間通信方案系統(tǒng)模型

3.1 傳輸方程

根據(jù)常規(guī)自由激光通信傳輸方程可得出調(diào)制反射器鏈路傳輸方程。 在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相關(guān)項(xiàng)的基礎(chǔ)上增加調(diào)制反射器天線增益、光學(xué)損耗、調(diào)制效率。 由于光信號(hào)往返傳輸2 次，因此空間距離損耗出現(xiàn)2 次。 調(diào)制反射鏈路相比傳統(tǒng)激光通信鏈路的距離損耗更大，以1/R4而不是1/R2衰減[19]。 對于給定的調(diào)制反射器天線增益和調(diào)制效率，調(diào)制反射器傳輸方程可以表示為式(1):

其中，Psig為主星接收到的調(diào)制反射器信號(hào)功率，PLas是發(fā)射激光功率，GT為詢問端發(fā)射天線增益，LT為發(fā)射天線損耗，LR為自由空間距離損失，Tatm為大氣傳輸損耗，GMRR為調(diào)制反射器的光學(xué)增益，LMRR為調(diào)制反射器的光學(xué)損耗，M為調(diào)制反射器的調(diào)制系數(shù)，Grec為詢問端接收機(jī)的光學(xué)天線增益，Lrec為接收機(jī)的光學(xué)損耗。 由于擬使用調(diào)制反射器建立星間鏈路，因此不考慮大氣損耗。

考慮采用開關(guān)鍵控(On-Off Keying， OOK)調(diào)制格式，強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(Intensity Modulation with Direct Detection，IM/DD)方式完成信號(hào)收發(fā)，信號(hào)模型可表示為式(2):

其中，y表示接收到的信號(hào)，η為接收機(jī)的光電轉(zhuǎn)換效率，h代表信道狀態(tài)，x∈{0，1}表示二進(jìn)制信號(hào)，n是方差為σ2復(fù)雜零均值高斯過程。 對于h，應(yīng)考慮前向詢問鏈路和返向調(diào)制反射路徑的信道狀態(tài)，由于MRR 系統(tǒng)僅一端有PAT 系統(tǒng)，因此僅考慮前向詢問鏈路中指向誤差的影響。

3.2 指向誤差概率分布

星間通信為真空鏈路，不像大氣、水或其他介質(zhì)中存在確定的信道衰減系數(shù)，因此僅考慮由于指向錯(cuò)誤(Pointing Error，PE)造成的幾何擴(kuò)散進(jìn)行建模的隨機(jī)過程。 本文采用通用的指向誤差概率分布模型，隨機(jī)變量的概率密度方程可描述為式(3)[21]:

3.3 瞬時(shí)信噪比概率分布

3.4 中斷概率模型

中斷概率是通信系統(tǒng)接收信號(hào)信噪比低于指定閾值的概率，可由式(5)計(jì)算。

其中，Pr{γ≤γth}表示γ≤γth的概率。

3.5 誤碼率模型

平均誤碼率的計(jì)算公式如(6)所示。

其中，Pe是瞬時(shí)誤碼率，在已知信道瞬時(shí)狀態(tài)信息條件下，對于NRZ OOK 調(diào)制信號(hào)，誤碼率公式為式(7)[22-23]。

其中，ε與系統(tǒng)的最優(yōu)判決門限相關(guān)[11]，將(7)代入(6)可得式(8)。

4 數(shù)值仿真及結(jié)果分析

4.1 鏈路預(yù)算

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的MEMS 調(diào)制反射器最高速率可以達(dá)到1 Gbps， 星間傳輸距離200 km[12]。 依據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平，參考文獻(xiàn)[24]，開展鏈路預(yù)算，結(jié)果見表1。 從表中分析的結(jié)果可知，系統(tǒng)的安全裕量為3.75 dB 左右，滿足3 dB安全裕量要求。 從分析結(jié)果可以看出，引起鏈路損耗的主要因素是距離。 增大調(diào)制反射器及主動(dòng)端接收天線的孔徑可增加天線增益。 激光束散角越小，發(fā)射天線增益越高。 若采用調(diào)制反射器陣列，增加收發(fā)天線個(gè)數(shù)，等效為增加調(diào)制反射器天線孔徑，可進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。 波長對距離損失及天線增益會(huì)產(chǎn)生影響。 考慮到調(diào)制反射器天線增益為與λ-4成正比，本文選擇波長相對較短的850 nm 波長。

表1 鏈路預(yù)算Table 1 Link budget

實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際通信場景需求，對發(fā)射功率、束散角、收發(fā)光學(xué)天線孔徑、波長進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)仿真所用其他參數(shù)如表2所示[20]。

表2 仿真用參數(shù)[20]Table 2 Parameters for simulation[20]

4.2 中斷概率仿真及結(jié)果分析

本節(jié)利用中斷概率模型式(5)分析通信系統(tǒng)參數(shù)對MRR FSO 通信系統(tǒng)平均中斷概率性能的影響。 仿真選用的參數(shù)見表1、2 所示。 圖4 和圖5 分別給出＝10 dB，15 dB，20 dB 時(shí)，通信距離和束散角抖動(dòng)與中斷概率的關(guān)系曲線。 從圖4中可看出，在range≤200 km 時(shí)，≥15 dB時(shí)，能夠確保中斷概率≤10-6。 通信距離越遠(yuǎn)，中斷概率越高。

圖4 中斷概率隨距離的變化Fig.4 Variation of outage probability with range

圖5 中，通信距離range＝200 km，在＝10 dB 時(shí)，束散角抖動(dòng)小于1.6 μrad 可確保中斷概率≤10-6。 在＝15 dB 時(shí)，束散角抖動(dòng)小于2 μrad 可確保中斷概率≤10-6；在＝20 dB時(shí)，束散角抖動(dòng)小于2.4 μrad 可確保中斷概率≤10-6。 束散角抖動(dòng)越大，中斷概率越高。

圖5 中斷概率隨束散角抖動(dòng)的變化Fig.5 Variation of outage probability with divergence jitter

圖6 與圖7 分別為中斷概率隨束散角及接收功率的變化情況。 從圖6 可以看出，主動(dòng)端激光束散角及越大，中斷概率越小。＝10 dB 時(shí)，束散角≥16 μrad，中斷概率可保持≤10-6。＝15 dB 時(shí)，束散角≥13 μrad，中斷概率可保持≤10-6。 對于＝20 dB 時(shí)，束散角≥12 μrad，中斷概率可保持≤10-6。 從圖7可以看出，在距離保持200 km，束散角抖動(dòng)2 μrad時(shí)，中斷概率隨接收功率增大而減小，隨γth增大而增大。

圖6 中斷概率隨束散角的變化Fig.6 Variation of outage probability with divergence

圖7 中斷概率隨接收功率的變化Fig.7 Variation of outage probability with received power

4.3 平均誤碼率仿真及結(jié)果分析

圖8 給出保持束散角、抖動(dòng)、波長等參數(shù)不變的情況下，平均誤碼率在不同接收功率下，隨距離的變化情況。 可以看出，平均誤碼率隨通信距離變長而增加，隨接收功率增大而減小，接收功率在-35 dBm 以上，所設(shè)計(jì)的通信參數(shù)均能使得誤碼率保持≤10-6。

圖8 平均誤碼率隨距離的變化Fig.8 Variation of bit error rate with range

圖9 給出了平均誤碼率隨束散角抖動(dòng)的變化情況。 在不同通信距離時(shí)，平均誤碼率均隨著束散角抖動(dòng)增加而增加。 在range＝200 km 時(shí)，為確保平均誤碼率保持≤10-6，束散角抖動(dòng)應(yīng)小于2.3 μrad。 在range＝150 km，為確保平均誤碼率保持≤10-6，束散角應(yīng)小于2.8 μrad。 在range＝ 100 km 時(shí)，束散角小于3.1 μrad，平均誤碼率均可保持≤10-6。 束散角越大，通信中斷概率越小，但其增大會(huì)導(dǎo)致誤碼率的增加及天線增益的減小，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇束散角。

圖9 平均誤碼率隨束散角抖動(dòng)的變化Fig.9 Variation of bit error rate with divergence jitter

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在1 Gbps 速率、200 km 通信距離條件下，通信中斷概率及平均誤碼率均≤10-6。 研究結(jié)果可為基于調(diào)制反射器的星間激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。 本文僅討論了MRR 技術(shù)在空間點(diǎn)對點(diǎn)激光通信應(yīng)用的可行性，未來針對多星集群和組網(wǎng)的高吞吐量需求，可將網(wǎng)絡(luò)編碼等新技術(shù)與MRR 系統(tǒng)進(jìn)行深度融合。